Przebijanie laserowe

Laserowe śrutowanie ( LP ) lub laserowe śrutowanie udarowe ( LSP ) to proces inżynierii powierzchni stosowany do nadawania korzystnych naprężeń szczątkowych w materiałach. Głębokie, ściskające naprężenia szczątkowe o dużej wielkości, wywołane przez kulowanie laserowe , zwiększają odporność materiałów na uszkodzenia związane z powierzchnią, takie jak zmęczenie , zmęczenie frettingowe i pękanie korozyjne naprężeniowe . Laserowe śrutowanie udarowe można również stosować do wzmacniania cienkich przekrojów, utwardzania powierzchni, kształtować lub prostować części (znane jako formowanie laserowe), rozbijać twarde materiały, zbijać sproszkowane metale oraz do innych zastosowań, w których wysokie ciśnienie i krótkotrwałe fale uderzeniowe zapewniają pożądane wyniki obróbki.

Historia

Odkrycie i rozwój (lata 60.)

Początkowe odkrycia naukowe dotyczące współczesnego przebijania laserowego rozpoczęły się na początku lat 60. XX wieku, gdy technologia lasera pulsacyjnego zaczęła się rozprzestrzeniać na całym świecie. We wczesnych badaniach interakcji lasera z materiałami, przeprowadzonych przez Gurgena Askaryana i EM Moroza, udokumentowali oni pomiary ciśnienia na docelowej powierzchni za pomocą lasera pulsacyjnego. Zaobserwowane ciśnienia były znacznie większe, niż można by wytworzyć samą siłą wiązki laserowej. Badania tego zjawiska wykazały, że wysokie ciśnienie wynika z impulsu pędu generowanego przez odparowanie materiału na powierzchni docelowej, gdy jest ona szybko podgrzewana przez impuls lasera. W latach sześćdziesiątych wielu badaczy dalej definiowało i modelowało interakcję impulsu wiązki laserowej z materiałami i późniejsze generowanie fal naprężeń. W tych i innych badaniach zaobserwowano, że fale naprężeń w materiale powstały w wyniku szybkiego rozszerzania się plazma , która powstaje, gdy impulsowa wiązka lasera uderza w cel. Następnie doprowadziło to do zainteresowania uzyskaniem wyższych ciśnień w celu zwiększenia intensywności fali naprężeń. Do wytworzenia wyższych ciśnień konieczne było zwiększenie gęstości mocy i skupienie wiązki laserowej (skoncentrowanie energii), co wymagało, aby oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem zachodziło w komorze próżniowej, aby uniknąć przebicia dielektryka w wiązce w powietrzu. Te ograniczenia ograniczyły badanie interakcji lasera impulsowego o wysokiej intensywności z materiałem do wybranej grupy badaczy z laserami impulsowymi o wysokiej energii.

Pod koniec lat 60. nastąpił przełom, kiedy NC Anderholm odkrył, że można osiągnąć znacznie wyższe ciśnienie plazmy, ograniczając rozszerzającą się plazmę do powierzchni docelowej. Anderholm ograniczył plazmę przez umieszczenie kwarcowej nakładki, przezroczystej dla wiązki laserowej, mocno na powierzchni docelowej. Po nałożeniu nakładki wiązka lasera przechodziła przez kwarc przed interakcją z powierzchnią docelową. Gwałtownie rozszerzająca się plazma została teraz zamknięta w interfejsie między powłoką kwarcową a powierzchnią docelową. Ta metoda ograniczania plazmy znacznie zwiększała wynikowe ciśnienie, generując piki ciśnienia od 1 do 8 gigapaskali (150 do 1200 ksi), o rząd wielkości większe niż pomiary ciśnienia plazmy bez ograniczeń. Znaczenie odkrycia Anderholma dla kucia laserowego polegało na wykazaniu, że interakcje pulsacyjnego lasera z materiałem w celu wytworzenia fal naprężeń pod wysokim ciśnieniem mogą być przeprowadzane w powietrzu, a nie ograniczone do próżniowa .

Szok laserowy jako proces metalurgiczny (lata 70.)

Na początku lat 70. XX wieku przeprowadzono pierwsze badania wpływu impulsowego promieniowania laserowego na materiał docelowy. LI Mirkin zaobserwował bliźniakowanie w ziarnach ferrytu w stali pod kraterem utworzonym przez napromieniowanie laserowe w próżni. SA Metz i FA Smidt, Jr. napromieniowali folie niklowe i wanadowe w powietrzu za pomocą lasera pulsacyjnego przy niskiej gęstości mocy i zaobserwowali puste przestrzenie i pętle wakatów po wyżarzaniu folii, co sugeruje, że fala naprężeń stworzyła wysokie stężenie wakatów. Te wolne miejsca następnie agregowały podczas wyżarzania po napromieniowaniu w obserwowane puste przestrzenie w niklu i pętle dyslokacji w wanadzie.

W 1971 roku naukowcy z Battelle Memorial Institute w Columbus w stanie Ohio rozpoczęli badanie, czy proces szoku laserowego może poprawić właściwości mechaniczne metalu za pomocą lasera impulsowego o wysokiej energii. W 1972 roku opublikowano pierwszą dokumentację dotyczącą korzystnego wpływu laserowego szoku metali, donoszącą o wzmocnieniu rozciągliwych próbek aluminium za pomocą nakładki kwarcowej w celu ograniczenia plazmy. Następnie w 1974 roku Phillipowi Mallozziemu i Barry'emu Fairandowi przyznano pierwszy patent na młotkowanie laserowe. Badania nad skutkami i możliwymi zastosowaniami śrutowania laserowego były kontynuowane w latach 70. the National Science Foundation 3, NASA , Army Research Office, US Air Force oraz wewnętrznie przez Battelle. W badaniach tych dokładniej zbadano efekty wewnątrzmateriałowe i wykazano powstawanie głębokich naprężeń ściskających oraz towarzyszący im wzrost zmęczenia i trwałości zmęczeniowej ciernej, osiągnięty dzięki kulowaniu laserowemu.

Praktyczne śrutowanie laserowe (lata 80.)

Szok laserowy na początkowych etapach rozwoju był poważnie ograniczony przez technologię laserową tamtego okresu. Laser pulsacyjny używany przez Battelle obejmował jedno duże pomieszczenie i wymagał kilkuminutowej przerwy między impulsami laserowymi. Aby stać się rentownym, ekonomicznym i praktycznym procesem przemysłowym, technologia laserowa musiała rozwinąć się w sprzęt o znacznie mniejszej powierzchni i być zdolny do zwiększonej częstotliwości impulsów laserowych. We wczesnych latach 80. firma Wagner Castings Company z siedzibą w Decatur w stanie Illinois zainteresowała się śrutowaniem laserowym jako procesem, który mógłby potencjalnie zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową żeliwa, aby konkurować ze stalą, ale przy niższych kosztach. Kulowanie laserowe różnych żeliw wykazało niewielką poprawę trwałości zmęczeniowej, a te wyniki, wraz z innymi, przekonały ich do sfinansowania projektu i budowy przedprototypowego lasera pulsacyjnego w 1986 r., Aby zademonstrować przemysłową żywotność procesu. Ten laser został ukończony i zademonstrowany w 1987 roku. Chociaż technologia była badana i rozwijana przez około 15 lat, niewiele osób w przemyśle o niej słyszało. Tak więc, wraz z ukończeniem lasera demonstracyjnego, inżynierowie Wagner Castings i Battelle podjęli poważne działania marketingowe, aby wprowadzić śrutowanie laserowe na potencjalne rynki przemysłowe.

Również w połowie lat 80. Remy Fabbro z Ecole Polytechnique zainicjował w Paryżu program laserowego kucia szokowego. On i Jean Fournier z firmy Peugeot odwiedzili Battelle w 1986 r., aby przeprowadzić z Allanem Clauerem obszerną dyskusję na temat laserowego śrutowania. Programy zainicjowane przez Fabbro i kontynuowane w latach 90. i na początku XXI wieku przez Patrice'a Peyre'a, Laurenta Berthe i współpracowników wniosły znaczący wkład, zarówno teoretyczny, jak i eksperymentalny, w zrozumienie i wdrożenie kulowania laserowego. W 1998 roku dokonali pomiarów za pomocą VISAR ( interferometr prędkościomierza dla dowolnego reflektora). ) obciążenia ciśnieniowe w reżimie uwięzienia wody w funkcji długości fali. Wykazują one szkodliwy wpływ rozpadu w wodzie ograniczający maksymalne ciśnienie na powierzchnię materiału.

Stworzenie przemysłu (lata 90.)

Na początku lat 90. rynek był coraz bardziej zaznajomiony z potencjałem przebijania laserowego w celu zwiększenia trwałości zmęczeniowej. W 1991 roku Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych wprowadziły inżynierów Battelle i Wagnera do GE Aviation, aby omówić potencjalne zastosowanie kulowania laserowego w celu rozwiązania problemu uszkodzenia ciała obcego (FOD) w przypadku łopatek wentylatora w silniku General Electric F101 napędzającym bombowiec Rockwell B - 1B Lancer . Otrzymane testy wykazały, że śrutowane laserowo łopatki wentylatora z poważnymi karbami po kulowaniu laserowym mają taką samą trwałość zmęczeniową jak nowe łopatki. Po dalszym rozwoju firma GE Aviation uzyskała licencję na technologię laserowego kucia uderzeniowego firmy Battelle, a w 1995 r. firma GE Aviation i Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych podjęły decyzję o dalszym rozwoju produkcji tej technologii. Firma GE Aviation rozpoczęła produkcję laserowego kulowania łopatek wentylatora F101 w 1998 roku.

Zapotrzebowanie na przemysłowe systemy laserowe wymagane do rozpoczęcia produkcji przez firmę GE Aviation przyciągnęło kilku członków zespołu zajmującego się kuciem uderzeniowym w firmie Battelle, którzy w 1995 roku założyli firmę LSP Technologies, Inc. jako pierwszego komercyjnego dostawcę sprzętu do kucia laserowego. Kierowana przez założyciela Jeffa Dulaneya firma LSP Technologies zaprojektowała i zbudowała systemy laserowe dla GE Aviation do wykonywania produkcyjnego śrutowania laserowego łopatek wentylatora F101. Na przełomie lat 90. i 2000. Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych kontynuowały współpracę z LSP Technologies w celu dopracowania możliwości produkcji laserowego kucia uderzeniowego i wdrożenia produkcyjnych komórek produkcyjnych.

W połowie lat 90., niezależnie od postępów w obróbce laserowej w Stanach Zjednoczonych i Francji, Yuji Sano z firmy Toshiba Corporation w Japonii zainicjował rozwój systemu obróbki laserowej zdolnego do laserowego kulowania spoin w zbiornikach ciśnieniowych elektrowni jądrowej w celu złagodzenia pęknięć korozyjnych naprężeniowych w tych obszarach. System wykorzystywał laser impulsowy o niskiej energii, działający z wyższą częstotliwością impulsów niż lasery o większej mocy. Wiązkę laserową wprowadzano do naczyń ciśnieniowych przez rurki przegubowe. Ponieważ naczynia ciśnieniowe były wypełnione wodą, proces nie wymagał nałożenia wody na naświetlaną powierzchnię. Jednak wiązka musiała pokonać pewną odległość przez wodę, co wymagało użycia wiązki o krótszej długości fali, 532 nm, aby zminimalizować przebicie dielektryczne wiązki w wodzie, zamiast wiązki 1054 nm używanej w Stanach Zjednoczonych i Francji. Ponadto rozważenie zastosowania nieprzezroczystej nakładki było niepraktyczne. Ten proces jest obecnie znany jako laserowe śrutowanie bez powlekania (LPwC). Zaczęto go stosować do japońskich reaktorów wodnych wrzących i ciśnieniowych w 1999 roku.

Również w latach 90. José Ocaña utworzył na Politechnice w Madrycie znaczącą grupę badawczą zajmującą się drążeniem laserowym. Ich praca obejmuje zarówno badania eksperymentalne, jak i teoretyczne z wykorzystaniem laserów impulsowych o niskiej energii, zarówno bez, jak i z nieprzezroczystą nakładką.

Fundacja dostawców i rozwój branży (lata 90. – 2000.)

Wraz z przełomem w komercyjnym zastosowaniu kulowania laserowego w silniku F101 w celu rozwiązania poważnego problemu operacyjnego, kulowanie laserowe przyciągnęło uwagę na całym świecie. Naukowcy z wielu krajów i branż podjęli badania w celu poszerzenia wiedzy na temat procesu kucia uderzeniowego laserem i wpływu właściwości materiału. W rezultacie w Stanach Zjednoczonych, Francji i Japonii wygenerowano dużą liczbę artykułów naukowych i patentów. Oprócz prac prowadzonych w tych krajach i Hiszpanii, w Chinach, Wielkiej Brytanii, Niemczech i kilku innych krajach zainicjowano programy laserowego śrutowania. Ciągły rozwój technologii i jej zastosowań doprowadził na początku XXI wieku do pojawienia się kilku komercyjnych dostawców laserowego kucia udarowego.

GE Aviation i LSP Technologies były pierwszymi firmami, które komercyjnie wykonywały śrutowanie laserowe, po uzyskaniu licencji na technologię firmy Battelle. Firma GE Aviation wykonała śrutowanie laserowe komponentów silników lotniczych, a firma LSP Technologies wprowadziła usługi i sprzęt do śrutowania laserowego szerszej bazie przemysłowej. Pod koniec lat 90. firma Metal Improvement Company (MIC jest obecnie częścią Curtis Wright Surface Technologies) nawiązała współpracę z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w celu opracowania własnych możliwości kucia laserowego. W Japonii Toshiba Corporation rozszerzyła komercyjne zastosowania swojego systemu LPwC na ciśnieniowe reaktory wodne, aw 2002 roku wdrożyła dostarczanie wiązki światłowodowej do podwodnej głowicy laserowej. Firma Toshiba przeprojektowała również dostarczanie lasera i wiązki w kompaktowy system, umożliwiając umieszczenie całego systemu w zbiorniku ciśnieniowym. System ten był gotowy do użytku komercyjnego w 2013 r. Firma MIC opracowała i zaadaptowała laserowe śrutowanie do formowania kształtów skrzydeł Boeinga 747-8.

Rozwój dostawców przemysłowych i komercyjny dowód technologii laserowego kucia prowadzą do tego, że wiele firm przyjmuje technologię laserowego kucia w celu rozwiązywania problemów i zapobiegania im. Niektóre z firm, które przyjęły śrutowanie laserowe, to: GE , Rolls-Royce , Siemens , Boeing , Pratt & Whitney i inne.

W latach 90. XX wieku i trwający do dnia dzisiejszego rozwój kulowania laserowego miał na celu obniżenie kosztów i zwiększenie przepustowości, aby dotrzeć na rynki poza kosztownymi, niskonakładowymi komponentami. Wysokie koszty procesu śrutowania laserowego były wcześniej związane ze złożonością systemu laserowego, szybkością przetwarzania, pracą ręczną i aplikacjami nakładkowymi. Liczne postępy w rozwiązywaniu tych problemów radykalnie obniżyły koszty przebijania laserowego: systemy przebijania laserowego są zaprojektowane do obsługi niezawodnych operacji; wzrasta częstość impulsów systemów laserowych; rutynowe operacje pracownicze są coraz bardziej zautomatyzowane; nakładanie nakładek jest w wielu przypadkach zautomatyzowane. Te zmniejszone koszty operacyjne kulowania laserowego sprawiły, że stało się to cennym narzędziem do rozwiązywania rozszerzonego zakresu zmęczenia i powiązanych zastosowań.

Opis procesu

Laserowe śrutowanie wykorzystuje dynamiczne efekty mechaniczne fali uderzeniowej nadawanej przez laser do modyfikowania powierzchni materiału docelowego. Nie wykorzystuje efektów termicznych. Zasadniczo kulowanie laserowe można wykonać za pomocą tylko dwóch elementów: przezroczystej nakładki i wysokoenergetycznego, pulsacyjnego systemu laserowego. Przezroczysta nakładka ogranicza plazmę utworzoną na powierzchni docelowej przez wiązkę lasera. Często korzystne jest również zastosowanie cienkiej, nieprzezroczystej dla wiązki laserowej nakładki pomiędzy nakładką wodną a powierzchnią docelową. Ta nieprzezroczysta nakładka może zapewnić jedną lub każdą z trzech korzyści: chronić powierzchnię docelową przed potencjalnie szkodliwymi efektami termicznymi wiązki laserowej, zapewniać spójną powierzchnię dla interakcji wiązki laserowej z materiałem oraz, jeśli impedancja nakładki jest mniejsza niż impedancja celu powierzchnię, zwiększ wielkość fali uderzeniowej docierającej do celu. Istnieją jednak sytuacje, w których nieprzezroczysta nakładka nie jest używana; w procesie Toshiba, LPwC lub tam, gdzie kompromis między obniżonymi kosztami i prawdopodobnie nieco obniżonymi naprężeniami resztkowymi powierzchni umożliwia powierzchowne szlifowanie lub honowanie po kulowaniu laserowym w celu usunięcia cienkiej warstwy poddanej obróbce termicznej.

Proces przebijania laserowego wywodzi się z wysokoenergetycznych laserów ze szkła Nd, wytwarzających impulsy o energii do 50 J (częściej od 5 do 40 J) i czasie trwania impulsu od 8 do 25 ns. Średnice plamki lasera na celu mieszczą się zwykle w zakresie od 2 do 7 mm. Sekwencja obróbki rozpoczyna się od nałożenia nieprzezroczystej nakładki na przedmiot obrabiany lub powierzchnię docelową. Powszechnie stosowanymi nieprzezroczystymi materiałami wierzchnimi są czarna lub aluminiowa taśma, farba lub opatentowany płyn RapidCoater. Taśma lub farba są zwykle nakładane na cały obszar, który ma być poddany obróbce, podczas gdy RapidCoater jest nakładany na każdy punkt lasera tuż przed wyzwoleniem impulsu laserowego. Po nałożeniu nakładki nieprzezroczystej nakłada się na nią nakładkę przezroczystą. Przezroczystą nakładką używaną w procesach produkcyjnych jest woda; jest tani, łatwy w aplikacji, łatwo dopasowuje się do najbardziej złożonych geometrii powierzchni i jest łatwy do usunięcia. Nakłada się go na powierzchnię tuż przed wyzwoleniem impulsu laserowego. Nakładki kwarcowe lub szklane wytwarzają znacznie wyższe ciśnienie niż woda, ale są ograniczone do płaskich powierzchni, muszą być wymieniane po każdym strzale i byłyby trudne w obsłudze w warunkach produkcyjnych. Można zastosować przezroczystą taśmę, ale jej nałożenie wymaga pracy i jest trudna do dopasowania do złożonych cech powierzchni. Przezroczysta nakładka umożliwia przejście wiązki laserowej bez zauważalnego pochłaniania energii lasera lub przebicia dielektryka. Po uruchomieniu lasera wiązka przechodzi przez przezroczystą nakładkę i uderza w nieprzezroczystą nakładkę, natychmiast odparowując cienką warstwę materiału nakładki. Ta para jest uwięziona w interfejsie między przezroczystymi i nieprzezroczystymi nakładkami. Ciągłe dostarczanie energii podczas impulsu laserowego szybko ogrzewa i jonizuje parę, przekształcając ją w szybko rozszerzającą się plazmę. Rosnące ciśnienie wywierane na nieprzezroczystą powierzchnię nakładki przez rozszerzającą się plazmę wchodzi na powierzchnię docelową jako fala naprężenia lub fala uderzeniowa o dużej amplitudzie. Bez przezroczystej powłoki nieograniczona smuga plazmy oddala się od powierzchni, a szczytowe ciśnienie jest znacznie niższe. Jeśli amplituda fali uderzeniowej przekracza Granica sprężystości Hugoniota (HEL) , tj. dynamiczna granica plastyczności celu, materiał odkształca się plastycznie podczas przejścia fali uderzeniowej. Wielkość odkształcenia plastycznego maleje wraz z odległością od powierzchni, gdy szczytowe ciśnienie fali uderzeniowej słabnie, tj. maleje i staje się zerowe, gdy szczytowe ciśnienie spada poniżej HEL. Po przejściu fali uderzeniowej resztkowe odkształcenie plastyczne tworzy gradient naprężeń szczątkowych ściskających poniżej powierzchni docelowej, najwyższy na powierzchni lub bezpośrednio pod powierzchnią i malejący wraz z głębokością. Zmieniając gęstość mocy lasera, czas trwania impulsu i liczbę kolejnych strzałów na danym obszarze, można uzyskać zakres wielkości i głębokości naprężeń ściskających powierzchnię. Wielkość naprężeń powierzchniowych jest porównywalna do śrutowania, ale głębokość jest znacznie większa, sięgając do 5 mm przy wielokrotnym śrutowaniu w jednym miejscu. Zwykle gęstość plamki wynosi około 10 plamek/cm Nakłada się od 2 do 40 plam/cm 2 . Głębokość naprężenia ściskającego osiągana przy najbardziej typowych parametrach obróbki mieści się w zakresie od 1 do 2 mm (0,039 do 0,079 cala). Głębokie naprężenia ściskające wynikają z utrzymywania szczytowego ciśnienia fali uderzeniowej powyżej HEL ​​na większych głębokościach niż w przypadku innych technologii kucia.

Mogą zaistnieć przypadki, w których opłacalne jest nienakładanie nieprzezroczystej powłoki i laserowe przebijanie bezpośrednio gołej powierzchni przedmiotu obrabianego. Podczas przebijania laserowego gołej, metalicznej powierzchni odparowuje się cienka warstwa materiału powierzchniowego o wielkości rzędu mikrometrów. Gwałtowny wzrost temperatury powoduje topnienie powierzchni na głębokość zależną od energii i czasu trwania impulsu oraz docelowej temperatury topnienia. W przypadku stopów aluminium głębokość ta wynosi nominalnie 10–20 μm, ale w przypadku stali i innych stopów o wyższej temperaturze topnienia głębokość może wynosić zaledwie kilka mikrometrów. Ze względu na krótki czas trwania impulsu głębokie nagrzewanie powierzchni jest ograniczone do kilkudziesięciu mikrometrów ze względu na szybkie hartowanie zimnego podłoża. Mogą wystąpić powierzchniowe plamy powierzchni przedmiotu obrabianego, zwykle spowodowane przez produkty utleniania. Te szkodliwe efekty obróbki gołej powierzchni, zarówno estetyczne, jak i metalurgiczne, można usunąć po kulowaniu laserowym poprzez lekkie szlifowanie lub honowanie. Po nałożeniu nieprzezroczystej nakładki temperatura docelowej powierzchni wzrasta o mniej niż 50–100 ° C (90–180 ° F) w nanosekundowej skali czasu.

Impulsy laserowe są na ogół nakładane na cel sekwencyjnie, aby leczyć obszary większe niż rozmiar plamki lasera. Kształty impulsów laserowych można dostosować do profili okrągłych, eliptycznych, kwadratowych i innych, aby zapewnić najwygodniejsze i najbardziej wydajne warunki obróbki. Zastosowany rozmiar plamki zależy od wielu czynników, takich jak materiał HEL, charakterystyka systemu laserowego i inne czynniki przetwarzania. Obszar, który ma być poddany obróbce laserowej, jest zwykle określany na podstawie geometrii części, zasięgu krytycznego obszaru zmęczenia materiału oraz rozważenia przeniesienia kompensujących naprężeń rozciągających poza ten obszar.

Niedawno opracowany proces śrutowania laserowego, proces Toshiba LPwC, znacznie różni się od procesu opisanego powyżej. Proces LPwC wykorzystuje niskoenergetyczne lasery Nd-YAG o wysokiej częstotliwości wytwarzające energię impulsu ≤ 0,1 J i czas trwania impulsu ≤ 10 ns przy użyciu plamki o wielkości ≤1 mm średnica. Ponieważ proces pierwotnie miał działać w dużych naczyniach wypełnionych wodą, częstotliwość fal została podwojona, aby zmniejszyć o połowę długość fali do 532 nm. Krótsza długość fali zmniejsza absorpcję energii wiązki podczas podróży przez wodę do celu. Ze względu na ograniczenia dostępu na powierzchnię docelową nie jest nakładana żadna nieprzezroczysta nakładka. Czynnik ten, w połączeniu z niewielkim rozmiarem plamki, wymaga wielu strzałów, aby osiągnąć znaczne naprężenia ściskające powierzchni i głębokość 1 mm. Pierwsze nałożone warstwy wytwarzają rozciągające naprężenia powierzchniowe z powodu topnienia powierzchni, chociaż naprężenia ściskające rozwijają się poniżej warstwy stopionej. Jednak w miarę dodawania kolejnych warstw rosnące podpowierzchniowe naprężenie ściskające „przecieka” z powrotem przez stopioną warstwę powierzchniową, aby wytworzyć pożądane naprężenie ściskające powierzchni. W zależności od właściwości materiału i żądanych naprężeń ściskających, na ogół około 18 punktów/mm Stosuje się gęstość plamki od 2 do 70/mm2 lub większą, około 100 razy większą od gęstości plamki procesu o wysokiej energii impulsu . Wpływ wyższej gęstości plamki na czas przetwarzania jest częściowo kompensowany przez wyższą częstotliwość impulsów, 60 Hz, laserów niskoenergetycznych. Przewiduje się, że nowsze generacje tych systemów laserowych będą działać na wyższych częstotliwościach. Ten niskoenergetyczny proces pozwala uzyskać wielkości i głębokości naprężeń szczątkowych ściskających odpowiadające procesowi wysokoenergetycznemu przy nominalnych głębokościach od 1 do 1,5 mm (0,039 do 0,059 cala). Jednak mniejszy rozmiar plamki nie pozwoli na głębsze głębokości.

Systemy jakości dla laserowego śrutowania

Proces śrutowania laserowego z wykorzystaniem sterowania komputerowego opisano w AMS 2546. Podobnie jak w przypadku wielu innych technologii ulepszania powierzchni, bezpośredni pomiar wyników procesu na przedmiocie obrabianym podczas obróbki nie jest praktyczny. Dlatego parametry procesu, takie jak energia i czas trwania impulsu, woda i nieprzezroczyste nakładki są ściśle monitorowane podczas przetwarzania. Dostępne są również inne systemy kontroli jakości, które opierają się na pomiarach ciśnienia, takie jak elektromagnetyczne przetworniki akustyczne (EMAT), system interferometru prędkości dla dowolnego reflektora (VISAR) i mierniki PVDF oraz radiometry plazmowe. Paski Almena są również używane, ale działają jako narzędzie porównawcze i nie zapewniają ostatecznej miary intensywności przebijania laserowego. Wynikowe naprężenia szczątkowe wywierane przez proces kulowania laserowego są rutynowo mierzone przez przemysł przy użyciu technik dyfrakcji rentgenowskiej w celu optymalizacji procesu i zapewnienia jakości.

Laserowe systemy przebijania

Początkowe systemy laserowe używane podczas opracowywania metody kulowania laserowego były dużymi laserami badawczymi dostarczającymi impulsy o wysokiej energii przy bardzo niskich częstotliwościach impulsów. Od połowy lat 90. lasery zaprojektowane specjalnie do kucia laserowego charakteryzowały się coraz mniejszymi rozmiarami i wyższymi częstotliwościami impulsów, co jest bardziej pożądane w środowiskach produkcyjnych. Systemy laserowego przebijania obejmują zarówno systemy laserowe prętowe, jak i system laserowy płytkowy. Systemy laserów prętowych można z grubsza podzielić na trzy podstawowe grupy, uznając, że w pewnym stopniu się one pokrywają: (1) lasery o wysokiej energii i niskiej częstotliwości powtarzania, działające zwykle przy 10–40 J na impuls przy długości impulsu 8–25 ns przy nominalnej Częstotliwość powtórzeń 0,5–1 Hz, nominalna wielkość plamki od 2 do 8 mm; (2) lasery o pośredniej energii i średniej częstotliwości powtarzania, pracujące przy 3–10 J z szerokością impulsu 10–20 ns przy częstotliwości powtórzeń 10 Hz, nominalna wielkość plamki 1–4 mm; (3) niskoenergetyczne lasery o dużej częstotliwości powtarzania, działające w temp ≤ 1 J na impuls o długości impulsu ≤10 ns przy częstotliwości powtórzeń 60+ Hz, rozmiar plamki ≤ 1 mm . System lasera płytowego działa w zakresie 10–25 J na impuls przy czasie trwania impulsu 8–25 ns przy częstotliwości powtórzeń 3–5 Hz, nominalnej wielkości plamki 2–5 mm. Systemy komercyjne obejmują lasery prętowe reprezentowane przez wszystkie trzy grupy oraz system laserów płytowych.

W przypadku każdego systemu do kucia laserowego wiązka wyjściowa z lasera jest kierowana do celi do kucia laserowego zawierającej obrabiane elementy lub części przeznaczone do obróbki. Komórka do kucia zawiera system obsługi części i zapewnia bezpieczne środowisko niezbędne do wydajnego komercyjnego kucia laserowego. Części przeznaczone do obróbki są zwykle wprowadzane do celi partiami. Części są następnie wybierane i umieszczane na ścieżce wiązki przez roboty lub inne niestandardowe systemy obsługi części. W celi roboczej wiązka jest kierowana na powierzchnię przedmiotu obrabianego za pośrednictwem łańcucha optycznego zwierciadeł i/lub soczewek. Jeśli używana jest taśma, jest ona nakładana przed wejściem części do komory roboczej, podczas gdy nakładki wodne lub RapidCoater są nakładane w komórce indywidualnie dla każdego miejsca. Element obrabiany, a czasem wiązka laserowa, jest w razie potrzeby zmieniany przy każdym strzale za pomocą robota lub innego systemu obsługi części. Gdy wybrane obszary na każdej części zostaną przetworzone, partia jest zastępowana w komórce roboczej inną.

Efekt procesu

Fala uderzeniowa generowana na zimno (odkształcenie plastyczne) w materiale przedmiotu obrabianego tworzy naprężenia szczątkowe ściskające i rozciągające, aby utrzymać stan równowagi materiału. Te naprężenia szczątkowe są ściskające na powierzchni przedmiotu obrabianego i stopniowo zanikają do niskich naprężeń rozciągających poniżej i wokół obszaru kutego laserem. Obróbka na zimno utwardza ​​również warstwę wierzchnią. Wykazano, że ściskające naprężenia szczątkowe oraz, w mniejszym stopniu, praca na zimno, wynikające z kulowania laserowego, zapobiegają i łagodzą zmęczenie wysokocyklowe (HCF), zmęczenie niskocyklowe (LCF), pękanie korozyjne naprężeniowe, zmęczenie frettingowe i do pewnego stopnia, zużycie i korozję wżerową . Znakomicie łagodzi uszkodzenia spowodowane ciałami obcymi w łopatkach turbiny.

Odkształcenie plastyczne wprowadzane przez kulowanie laserowe jest znacznie mniejsze niż w przypadku innych technologii kucia udarowego. W rezultacie szczątkowe odkształcenia plastyczne mają znacznie większą stabilność termiczną niż bardziej obciążone mikrostruktury poddane obróbce plastycznej na zimno. Pozwala to na utrzymanie naprężeń ściskających wykuwanych laserowo w wyższych temperaturach roboczych podczas długich ekspozycji niż w przypadku innych technologii. Wśród zastosowań korzystających z tego są łopatki wentylatorów i sprężarek turbin gazowych oraz elementy elektrowni jądrowych.

Zwiększając wydajność materiału, śrutowanie laserowe umożliwia bardziej wydajne projekty, które zmniejszają wagę, wydłużają żywotność komponentów i zwiększają wydajność. W przyszłości przewiduje się, że śrutowanie laserowe zostanie włączone do projektowania elementów krytycznych pod względem zmęczenia materiału, aby osiągnąć dłuższą żywotność, mniejszą wagę i być może prostszą konstrukcję w produkcji.

Inne zastosowania technologii laserowego kucia

Pierwotnie użycie fal uderzeniowych indukowanych laserem na metalach w celu uzyskania korzyści związanych z właściwościami lub funkcjonalnością było określane jako obróbka uderzeniowa lasera, szerszy, bardziej obejmujący termin. Tak się złożyło, że śrutowanie laserowe było pierwszym komercyjnym aspektem obróbki szokowej laserem. Jednak fale uderzeniowe wywołane laserem znalazły zastosowanie w innych zastosowaniach przemysłowych poza technologiami ulepszania powierzchni.

Jedno zastosowanie dotyczy kształtowania lub formowania metalu. Dzięki selektywnemu uderzeniu laserowemu obszarów na powierzchni arkuszy lub płyt metalowych lub mniejszych elementów, takich jak płaty, związane z tym naprężenia szczątkowe ściskające powodują wyginanie materiału w kontrolowany sposób. W ten sposób można nadać komponentowi określony kształt lub przywrócić pożądany kształt zniekształconemu komponentowi. W ten sposób proces ten jest w stanie przywrócić wytworzone części do granic tolerancji projektowej i kształtować części o cienkich przekrojach.

Inną odmianą jest wykorzystanie fali uderzeniowej do testowania spallacji materiałów. Ta aplikacja opiera się na zachowaniu fal uderzeniowych odbijających się od tylnej swobodnej powierzchni przedmiotu obrabianego jako fali rozciągającej. W zależności od właściwości materiału i charakterystyki fali uderzeniowej, odbita fala rozciągająca może być wystarczająco silna, aby utworzyć mikropęknięcia lub puste przestrzenie w pobliżu tylnej powierzchni lub faktycznie „zdmuchnąć” lub odpryskiwać materiał z tylnej powierzchni. Takie podejście ma pewną wartość do testowania materiałów balistycznych.

Wykorzystanie wstrząsów laserowych do pomiaru siły wiązania powłok na metalach było rozwijane przez lata we Francji pod nazwą LASAT (Laser Adhesion Test). Ta aplikacja jest również oparta na zachowaniu fal uderzeniowych odbijających się od tylnej swobodnej powierzchni przedmiotu obrabianego jako fali rozciągającej. Jeśli tylna powierzchnia jest pokryta przylegającą powłoką, fala rozciągająca może być dostosowana do zerwania wiązania po odbiciu od powierzchni. Kontrolując charakterystykę fali uderzeniowej, można zmierzyć siłę wiązania powłoki lub alternatywnie określić ją w sensie porównawczym.

Staranne dopasowanie kształtu i intensywności fali uderzeniowej umożliwiło również kontrolę połączonych struktur kompozytowych za pomocą szoku laserowego. Technologia określana jako Laser Bond Inspection inicjuje falę uderzeniową, która odbija się od tylnej strony sklejonej struktury i powraca jako fala rozciągająca. Gdy fala rozciągająca przechodzi z powrotem przez wiązanie klejowe, w zależności od siły wiązania i szczytowego naprężenia rozciągającego fali naprężeniowej, fala rozciągająca albo przejdzie przez wiązanie, albo je rozerwie. Kontrolując ciśnienie fali rozciągającej, procedura ta jest w stanie wiarygodnie przetestować lokalnie siłę przyczepności między klejonymi połączeniami. Ta technologia jest najczęściej spotykana w zastosowaniach klejonych materiałów kompozytowych z włókien , ale wykazano również, że jest skuteczny w ocenie wiązań między materiałem metal-kompozyt. Badane są również podstawowe zagadnienia, aby scharakteryzować i określić ilościowo wpływ fali uderzeniowej wytwarzanej przez laser wewnątrz tych złożonych materiałów.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_peening&oldid=1113837329 ”